JP5354582B2 - Terahertz wave generator - Google Patents

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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Description

本発明は、マイクロ波(電波)と赤外線(光波)の間の周波数を有するテラヘルツ波を発生する装置に関する。   The present invention relates to an apparatus for generating a terahertz wave having a frequency between microwaves (radio waves) and infrared rays (light waves).

電波と光波の中間の周波数を有するテラヘルツ波は、セラミックの内部欠陥検査や試薬検査、鏡像異性体含有量分析等の光源として大変に有効であり、実用化に向けて高出力が可能な光源の開発が盛んに行われている。図7に、現在までに公表されている光源の周波数と出力の関係を示す。図7に示すように、0.1THz未満の周波数帯域及び数十THzよりも高い周波数帯域では、複数種類の光源が公表されている。その一方、その間の周波数帯域では、未だに有効な光源が公表されていない周波数帯域も存在する。広い周波数帯域で高出力が可能なテラヘルツ波光源が望まれている。   Terahertz waves having a frequency between radio waves and light waves are very effective as light sources for internal defect inspection, reagent inspection, and enantiomeric content analysis of ceramics. Development is actively underway. FIG. 7 shows the relationship between the frequency of the light source published so far and the output. As shown in FIG. 7, in the frequency band below 0.1 THz and the frequency band higher than several tens THz, a plurality of types of light sources are published. On the other hand, in the frequency band in the meantime, there is a frequency band for which an effective light source has not yet been disclosed. A terahertz wave light source capable of high output in a wide frequency band is desired.

特許文献1に、差周波発生法を用いてテラヘルツ波を発生する技術の1つが開示されている。この技術では、2つの異なる周波数を有するレーザ光をテラヘルツ波発生用結晶に入射し、その周波数差に相当するテラヘルツ波を発生させる。レーザ光をテラヘルツ波発生用結晶に入射する際には、レーザ光とテラヘルツ波の位相条件が整合するように入射する。一般に、テラヘルツ波の周波数帯域における屈折率はレーザ光の周波数帯における屈折率にくらべて大きい。そのため、特許文献1の技術では、レーザ光とテラヘルツ波の位相を整合させる際に、周波数の異なる2本のレーザ光の間に有限の角度差をつけて2本のレーザ光をテラヘルツ波発生用結晶に入射する。特許文献1の技術を用いることで、0.6〜2.6THzの周波数を有するテラヘルツ波が発生することが確認されている。   Patent Document 1 discloses one technique for generating a terahertz wave using a difference frequency generation method. In this technique, laser beams having two different frequencies are incident on a terahertz wave generating crystal, and a terahertz wave corresponding to the frequency difference is generated. When the laser light is incident on the crystal for generating the terahertz wave, the laser light and the terahertz wave are incident so that the phase conditions are matched. Generally, the refractive index in the frequency band of terahertz waves is larger than the refractive index in the frequency band of laser light. Therefore, in the technique of Patent Document 1, when the phase of the laser light and the terahertz wave is matched, the two laser lights are used for generating the terahertz wave with a finite angle difference between the two laser lights having different frequencies. Incident on the crystal. It has been confirmed that a terahertz wave having a frequency of 0.6 to 2.6 THz is generated by using the technique of Patent Document 1.

特開2006−215222号公報JP 2006-215222 A

特許文献1の技術は、テラヘルツ波の光源の開発にとって大変有効な技術である。
しかしながら、特許文献1の技術では、テラヘルツ波の周波数が低くなるにつれて2本のレーザ光をテラヘルツ波発生用結晶に入射する際の角度差が小さくなる。角度差が小さくなると、角度差を正しく調整することが難しく、レーザ光からテラヘルツ波を発生させる際のエネルギー変換効率が悪化してしまう。図6に、特許文献1の技術を用いて発生させたテラヘルツ波の周波数とエネルギー変換効率の関係を点線で示す。図6に示すように、周波数が1THz未満の領域では、周波数の低下に伴ってテラヘルツ波のエネルギー変換効率が悪化する事象が観測されている。また、テラヘルツ波がテラヘルツ波発生用結晶内を進行すると、テラヘルツ波発生用結晶内を進行する距離に応じてテラヘルツ波がテラヘルツ波発生用結晶に吸収される。一般に、テラヘルツ波のテラヘルツ波発生用結晶への吸収は、高周波において顕著となる。そのため、図6に点線で示すように、周波数が2THz以上の領域では、周波数の上昇に伴ってテラヘルツ波のエネルギー変換効率が悪化する事象が観測されている。テラヘルツ波のエネルギー変換効率が悪化すると、高出力のテラヘルツ波を出力することが難しい。高出力のテラヘルツ波を発生させるために、エネルギー変換効率の向上が望まれる。
上記の問題を鑑み、本発明は、広い周波数帯域において、テラヘルツ波のエネルギー変換効率を向上させる技術を提供することを目的としている。
The technique of Patent Document 1 is a very effective technique for developing a terahertz light source.
However, in the technique of Patent Document 1, as the frequency of the terahertz wave decreases, the angle difference between the two laser beams incident on the terahertz wave generating crystal decreases. When the angle difference is small, it is difficult to adjust the angle difference correctly, and the energy conversion efficiency when generating the terahertz wave from the laser light is deteriorated. In FIG. 6, the relationship between the frequency of the terahertz wave generated using the technique of Patent Document 1 and the energy conversion efficiency is indicated by a dotted line. As shown in FIG. 6, in the region where the frequency is less than 1 THz, an event has been observed in which the energy conversion efficiency of the terahertz wave deteriorates as the frequency decreases. When the terahertz wave travels in the terahertz wave generating crystal, the terahertz wave is absorbed by the terahertz wave generating crystal in accordance with the distance traveled in the terahertz wave generating crystal. In general, absorption of terahertz waves into a crystal for generating terahertz waves becomes significant at high frequencies. Therefore, as shown by a dotted line in FIG. 6, in the region where the frequency is 2 THz or more, an event in which the energy conversion efficiency of the terahertz wave deteriorates as the frequency increases is observed. When the energy conversion efficiency of terahertz waves deteriorates, it is difficult to output high-power terahertz waves. In order to generate a high-output terahertz wave, improvement in energy conversion efficiency is desired.
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a technique for improving the energy conversion efficiency of a terahertz wave in a wide frequency band.

本発明は、チェレンコフ型位相整合方式を用いてテラヘルツ波を発生させ、さらにテラヘルツ波発生用結晶である非線形光学結晶の厚さを工夫することで、レーザ光からテラヘルツ波を発生させる際のエネルギー変換効率を向上させることに成功した。
本発明は、テラヘルツ波発生装置に具現化される。このテラヘルツ波発生装置は、周波数の異なる2種類のレーザ光を2次の非線形性を有する非線形光学結晶に入射し、2種類のレーザ光の差周波数を持つテラヘルツ波をチェレンコフ型位相整合方式により放射する。
本発明のテラヘルツ波発生装置では、2種類のレーザ光が非線形光学結晶の入射面にコリニアに入射されている。「入射面」とは、非線形光学結晶の表面のうち、レーザ光が入射される表面を意味する。また、入射面の厚みは、テラヘルツ波の非線形光学結晶における半波長よりも小さく設定されている。また、非線形結晶の放射面の少なくとも1つの面上に緩衝層が形成されている。「放射面」とは、非線形光学結晶の表面のうち、テラヘルツ波を放射する表面を意味する。この緩衝層の可視光から近赤外の周波数帯域における屈折率は、非線形光学結晶の可視光から近赤外の周波数帯域における屈折率よりも小さく設定されている。
The present invention generates a terahertz wave using a Cherenkov phase matching method, and further devise the thickness of a nonlinear optical crystal that is a terahertz wave generating crystal, thereby converting energy when generating a terahertz wave from a laser beam. Succeeded in improving efficiency.
The present invention is embodied in a terahertz wave generator. In this terahertz wave generator, two types of laser beams having different frequencies are incident on a nonlinear optical crystal having a second-order nonlinearity, and a terahertz wave having a difference frequency between the two types of laser beams is emitted by a Cherenkov phase matching method. To do.
In the terahertz wave generator of the present invention, two types of laser light are incident collinearly on the incident surface of the nonlinear optical crystal. The “incident surface” means a surface on which laser light is incident among the surfaces of the nonlinear optical crystal. In addition, the thickness of the incident surface is set to be smaller than a half wavelength in the terahertz wave nonlinear optical crystal. A buffer layer is formed on at least one of the radiation surfaces of the nonlinear crystal. The “radiation surface” means a surface that emits terahertz waves among the surfaces of the nonlinear optical crystal. The refractive index of the buffer layer in the visible to near-infrared frequency band is set smaller than the refractive index of the nonlinear optical crystal in the visible to near-infrared frequency band.

非線形光学結晶にレーザ光を入射すると、結晶内に非線形分極が生じる。2次の非線形を有する非線形光学結晶では、周波数の異なる2つのレーザ光を入射した場合に、その2つのレーザ光の差周波数に応じた周期を有する非線形分極が生じる。また、非線形光学結晶では、レーザ光の入射によりエネルギー状態が励起し、元のエネルギー状態に戻る際にエネルギー波が放射される。非線形光学結晶が非線形分極している場合、その分極の周波数に対応するエネルギー波が放射される。非線形光学結晶がテラヘルツ波の周波数を有して分極している場合、非線形光学結晶からテラヘルツ波が放射される。しかし、一般にテラヘルツ波の屈折率はレーザ光の屈折率にくらべて大きく、非線形光学結晶における光の伝播速度は非線形光学結晶におけるテラヘルツ波の伝播速度を超える。そのため、テラヘルツ波は非線形光学結晶からチェレンコフ放射される。テラヘルツ波は、非線形光学結晶からチェレンコフ型位相整合条件を満たす放射角へと放射される。本発明では、上記のチェレンコフ型位相整合方式によってテラヘルツ波を放射する。   When laser light is incident on the nonlinear optical crystal, nonlinear polarization occurs in the crystal. In a nonlinear optical crystal having a second-order nonlinearity, when two laser beams having different frequencies are incident, nonlinear polarization having a period corresponding to the difference frequency between the two laser beams is generated. In the nonlinear optical crystal, the energy state is excited by the incidence of laser light, and an energy wave is emitted when returning to the original energy state. When the nonlinear optical crystal is nonlinearly polarized, an energy wave corresponding to the polarization frequency is emitted. When the nonlinear optical crystal is polarized with a terahertz wave frequency, a terahertz wave is emitted from the nonlinear optical crystal. However, in general, the refractive index of terahertz waves is larger than the refractive index of laser light, and the propagation speed of light in nonlinear optical crystals exceeds the propagation speed of terahertz waves in nonlinear optical crystals. Therefore, terahertz waves are emitted from the nonlinear optical crystal by Cherenkov. The terahertz wave is emitted from the nonlinear optical crystal to a radiation angle that satisfies the Cherenkov-type phase matching condition. In the present invention, terahertz waves are radiated by the Cherenkov phase matching method.

本発明では、チェレンコフ型位相整合方式によってテラヘルツ波を放射する。チェレンコフ型位相整合方式では、非線形光学結晶に生じた非線形分極に基づいてテラヘルツ波が放射される。また、非線形分極を生じさせる際に、2本のレーザ光の間に角度差をつける必要がない。そのため、第1レーザ光と第2レーザ光を非線形光学結晶にコリニアに入射することができる。第1レーザ光と第2レーザ光を所定の角度差に調整する特許文献1の技術に比べて、第1レーザ光と第2レーザ光の角度関係を正確に調整することができ、テラヘルツ波の低周波域でのエネルギー変換効率を向上させることができる。   In the present invention, terahertz waves are radiated by the Cherenkov type phase matching method. In the Cherenkov phase matching method, a terahertz wave is radiated based on nonlinear polarization generated in a nonlinear optical crystal. In addition, when generating nonlinear polarization, it is not necessary to make an angle difference between the two laser beams. Therefore, the first laser beam and the second laser beam can be incident on the nonlinear optical crystal collinearly. Compared with the technique of Patent Document 1 in which the first laser beam and the second laser beam are adjusted to a predetermined angle difference, the angular relationship between the first laser beam and the second laser beam can be adjusted accurately, and the terahertz wave The energy conversion efficiency in the low frequency region can be improved.

また、本発明のテラヘルツ波発生装置では、入射面の厚みがテラヘルツ波の非線形光学結晶における半波長よりも小さく形成されている。
非線形光学結晶に入射されるレーザ光のビーム径は、有限の照射面積を有しており、その内部に無数の微小レーザ光が入射されている。微小レーザ光は入射された部位における非線形光学結晶を非線形分極させ、それぞれの部位から微小テラヘルツ波を放射する。この結果、非線形光学結晶から微小テラヘルツ波の集まり(微小テラヘルツ波群)であるテラヘルツ波が放射される。非線形光学結晶の各々の位置から放射された微小テラヘルツ波の非線形光学結晶の放射面における位相は、その位置の入射面の厚み方向の距離に基づいて決定される。テラヘルツ波の中に、非線形光学結晶の放射面における位相が逆位相となる微小テラヘルツ波が含まれていると、微小テラヘルツ波がお互いに打ち消しあって弱められ、非線形光学結晶から放射されるテラヘルツ波のエネルギー変換効率が悪化する。
本発明では、上記のように設定されることで、微小テラヘルツ波群の中に逆位相となる微小テラヘルツ波が含まれることが抑制される。これにより、テラヘルツ波が弱められることが抑制され、テラヘルツ波の高周波域でのエネルギー変換効率を向上させることができる。
In the terahertz wave generator of the present invention, the thickness of the incident surface is formed to be smaller than a half wavelength in the terahertz wave nonlinear optical crystal.
The beam diameter of the laser light incident on the nonlinear optical crystal has a finite irradiation area, and an infinite number of minute laser lights are incident on the inside. The minute laser light nonlinearly polarizes the nonlinear optical crystal at the incident site and emits a minute terahertz wave from each site. As a result, a terahertz wave that is a collection of micro terahertz waves (micro terahertz wave group) is emitted from the nonlinear optical crystal. The phase of the minute terahertz wave radiated from each position of the nonlinear optical crystal at the radiation surface of the nonlinear optical crystal is determined based on the distance in the thickness direction of the incident surface at that position. If a terahertz wave contains a micro terahertz wave whose phase on the radiation surface of the nonlinear optical crystal is opposite, the micro terahertz wave cancels each other and is weakened, and the terahertz wave emitted from the nonlinear optical crystal is emitted. The energy conversion efficiency of will deteriorate.
In the present invention, by setting as described above, it is possible to suppress a minute terahertz wave having an antiphase in the minute terahertz wave group. Thereby, it is suppressed that the terahertz wave is weakened, and the energy conversion efficiency in the high frequency region of the terahertz wave can be improved.

上記のように非線形光学結晶の入射面の厚みを小さくが設定されることで、非線形光学結晶内でテラヘルツ波が吸収される量を抑制する効果も得ることができる。
テラヘルツ波が非線形光学結晶内を進行すると、非線形光学結晶内を進行する距離に応じてテラヘルツ波が非線形光学結晶に吸収される。非線形光学結晶が上記のように設定されることで、テラヘルツ波が非線形光学結晶内を進行する距離を短くすることができ、テラヘルツ波が非線形光学結晶で吸収される量を抑制することができる。これによって、テラヘルツ波のエネルギー変換効率を向上させることができる。
By setting the thickness of the incident surface of the nonlinear optical crystal to be small as described above, it is possible to obtain an effect of suppressing the amount of terahertz waves absorbed in the nonlinear optical crystal.
When the terahertz wave travels in the nonlinear optical crystal, the terahertz wave is absorbed by the nonlinear optical crystal in accordance with the distance traveled in the nonlinear optical crystal. By setting the nonlinear optical crystal as described above, the distance that the terahertz wave travels in the nonlinear optical crystal can be shortened, and the amount of the terahertz wave absorbed by the nonlinear optical crystal can be suppressed. Thereby, the energy conversion efficiency of the terahertz wave can be improved.

また、本発明のテラヘルツ波発生装置では、放射面の少なくとも1つの面上に緩衝層が形成されおり、その緩衝層の可視光から近赤外の周波数帯域における屈折率が、非線形光学結晶の可視光から近赤外の周波数帯域における屈折率よりも小さく設定されている。
本発明によれば、非線形光学結晶に入射された第1レーザ光と第2レーザ光が、非線形光学結晶と緩衝層の境界部において全反射されやすい。つまり、第1レーザ光と第2レーザ光が非線形光学結晶から漏れ出ることが抑制され、非線形光学結晶を第1レーザ光と第2レーザ光が通過する導波路として機能させることができる。これによって、非線形光学結晶に入射された第1レーザ光と第2レーザ光が減衰することが抑制され、テラヘルツ波のエネルギー変換効率を向上させることができる。
In the terahertz wave generator of the present invention, the buffer layer is formed on at least one of the radiation surfaces, and the refractive index in the frequency band from the visible light to the near infrared of the buffer layer is the visible of the nonlinear optical crystal. It is set smaller than the refractive index in the frequency band from light to near infrared.
According to the present invention, the first laser light and the second laser light incident on the nonlinear optical crystal are likely to be totally reflected at the boundary between the nonlinear optical crystal and the buffer layer. That is, leakage of the first laser light and the second laser light from the nonlinear optical crystal is suppressed, and the nonlinear optical crystal can function as a waveguide through which the first laser light and the second laser light pass. As a result, the attenuation of the first laser light and the second laser light incident on the nonlinear optical crystal is suppressed, and the energy conversion efficiency of the terahertz wave can be improved.

緩衝層の表面にはプリズムが設けられていることが好ましい。非線形光学結晶の可視光から近赤外の周波数帯域における屈折率をn1(OPT)とし、非線形光学結晶のテラヘルツ波の周波数帯域における屈折率をn1(THz)とし、プリズムのテラヘルツ波の周波数帯域における屈折率をn2(THz)とすると、この屈折率n1(OPT)と屈折率n1(THz)と屈折率n2(THz)は数1の関係を満たすように構成されている。   It is preferable that a prism is provided on the surface of the buffer layer. The refractive index of the nonlinear optical crystal in the visible to near-infrared frequency band is n1 (OPT), the refractive index of the nonlinear optical crystal in the terahertz wave frequency band is n1 (THz), and the prism in the terahertz wave frequency band. When the refractive index is n2 (THz), the refractive index n1 (OPT), the refractive index n1 (THz), and the refractive index n2 (THz) are configured to satisfy the relationship of Equation 1.

Figure 0005354582
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図5にテラヘルツ波L3が非線形光学結晶26からプリズム30へと放射される様子を示す。図5においては、緩衝層を省略して図示する。第1レーザ光L1及び第2レーザ光L2の進行方向に対するテラヘルツ波の放射角θは、位相条件によって決定される。つまり、第1レーザ光L1の波長をλ1とし、第2レーザ光L2の波長をλ2とし、テラヘルツ波の真空における波長をλ(THz)とし、非線形光学結晶の可視光から近赤外の周波数帯域における第1レーザ光L1の屈折率をn11(OPT)とし、非線形光学結晶の可視光から近赤外の周波数帯域における第2レーザ光L2の屈折率をn12(OPT)とすると、数2のように表され、近似することで数3のように表すことができる。   FIG. 5 shows a state in which the terahertz wave L3 is radiated from the nonlinear optical crystal 26 to the prism 30. In FIG. 5, the buffer layer is omitted. The radiation angle θ of the terahertz wave with respect to the traveling direction of the first laser beam L1 and the second laser beam L2 is determined by the phase condition. That is, the wavelength of the first laser light L1 is λ1, the wavelength of the second laser light L2 is λ2, the wavelength of the terahertz wave in vacuum is λ (THz), and the frequency band from the visible light to the near infrared of the nonlinear optical crystal Assuming that the refractive index of the first laser light L1 at n is n11 (OPT) and the refractive index of the second laser light L2 in the frequency band from the visible light to the near infrared of the nonlinear optical crystal is n12 (OPT), It can be expressed as shown in Equation 3 by approximation.

Figure 0005354582
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テラヘルツ波が非線形光学結晶26からプリズム30へと放射される際の臨界角α0は、プリズムのテラヘルツ波の周波数帯域における屈折率n2(THz)を用いて数4のように表される。テラヘルツ波は、非線形光学結晶26からプリズム30へと放射される入射角αが数5の関係を満たす場合に、非線形光学結晶26からプリズム30へと放射される。また、入射角αと放射角θは数6の関係を有する。数3〜数6を用いることで、数1の関係を得ることができる。   The critical angle α0 when the terahertz wave is radiated from the nonlinear optical crystal 26 to the prism 30 is expressed by Equation 4 using the refractive index n2 (THz) in the frequency band of the terahertz wave of the prism. The terahertz wave is radiated from the nonlinear optical crystal 26 to the prism 30 when the incident angle α radiated from the nonlinear optical crystal 26 to the prism 30 satisfies the relationship of Equation 5. Further, the incident angle α and the radiation angle θ have the relationship of Equation 6. By using Equations 3 to 6, the relationship of Equation 1 can be obtained.

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本発明では、数1の関係を満たすことで、非線形光学結晶から放射されたテラヘルツ波をプリズムへと入射することができる。
本発明によれば、プリズムを用いてテラヘルツ波を所望の位置に放射することができる。また、プリズムの材質として、テラヘルツ波の吸収量が少ない材質を選ぶことで、テラヘルツ波のエネルギー変換効率が悪化することを抑制することができる。
In the present invention, the terahertz wave radiated from the nonlinear optical crystal can be incident on the prism by satisfying the relationship of Equation 1.
According to the present invention, a terahertz wave can be radiated to a desired position using a prism. Further, by selecting a material having a small amount of terahertz wave absorption as the material of the prism, it is possible to suppress deterioration of the energy conversion efficiency of the terahertz wave.

本発明によれば、広い周波数帯域において、テラヘルツ波のエネルギー変換効率を向上させることができる。これにより、テラヘルツ波光源の出力を向上させることができる。   According to the present invention, the energy conversion efficiency of terahertz waves can be improved in a wide frequency band. Thereby, the output of the terahertz light source can be improved.

テラヘルツ波発生装置10とテラヘルツ波測定装置60を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the terahertz wave generator 10 and the terahertz wave measuring device 60. FIG. 導波路デバイス20の構成を模式的に示した図である。2 is a diagram schematically showing the configuration of a waveguide device 20. FIG. テラヘルツ波が放射される様子を説明する図である。It is a figure explaining a mode that a terahertz wave is emitted. テラヘルツ波が放射される様子を説明する図である。It is a figure explaining a mode that a terahertz wave is emitted. テラヘルツ波が放射される様子を説明する図である。It is a figure explaining a mode that a terahertz wave is emitted. 本実施例のテラヘルツ波発生装置10から放射されるテラヘルツ波の周波数とエネルギー変換効率の関係を示す。The relationship between the frequency of the terahertz wave radiated | emitted from the terahertz wave generator 10 of a present Example and energy conversion efficiency is shown. 現在までに公表されているテラヘルツ波光源の周波数と出力の関係を示す。The relationship between the frequency and output of the terahertz light source that has been published so far is shown.

以下に説明する実施例の主要な特徴を整理する。
(特徴1)第1レーザ光と第2レーザ光は、可視光から近赤外の周波数帯域における周波数を有している。
(特徴2)非線形光学結晶は、層状に形成されている。非線形光学結晶の側面が入射面に相当し、非線形光学結晶の上面と底面のうちの少なくとも一方が放射面に相当する。
(特徴3)緩衝層の厚みは、第1レーザ光と第2レーザ光の染み出し長よりも大きい。
(特徴4)緩衝層の厚みは、テラヘルツ波の緩衝層における波長よりも小さい。
(特徴5)緩衝層は、テラヘルツ波に対する吸収係数が小さい物質で形成されている。
The main features of the embodiment described below will be summarized.
(Feature 1) The first laser beam and the second laser beam have frequencies in the frequency band from visible light to near infrared.
(Feature 2) The nonlinear optical crystal is formed in layers. The side surface of the nonlinear optical crystal corresponds to the incident surface, and at least one of the upper surface and the bottom surface of the nonlinear optical crystal corresponds to the radiation surface.
(Characteristic 3) The thickness of the buffer layer is larger than the seepage length of the first laser beam and the second laser beam.
(Feature 4) The thickness of the buffer layer is smaller than the wavelength in the terahertz wave buffer layer.
(Feature 5) The buffer layer is formed of a material having a small absorption coefficient for terahertz waves.

本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。図1に、本発明のテラヘルツ波発生装置10と、そのテラヘルツ波発生装置10から放射されたテラヘルツ波L3を測定するテラヘルツ波測定装置60を模式的に示す。テラヘルツ波発生装置10は、YAGレーザ発振機12とKTP光パラメトリック発振機(KTP−OPO)14とレンズ16と導波路デバイス20を備えている。テラヘルツ波測定装置60は、ボロメータ62とA/D変換機64とPC66を備えている。テラヘルツ波発生装置10及びテラヘルツ波測定装置60の間には、テラヘルツ波L3を集光するためのレンズ68が配置されている。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 schematically shows a terahertz wave generation device 10 of the present invention and a terahertz wave measurement device 60 that measures a terahertz wave L3 emitted from the terahertz wave generation device 10. The terahertz wave generator 10 includes a YAG laser oscillator 12, a KTP optical parametric oscillator (KTP-OPO) 14, a lens 16, and a waveguide device 20. The terahertz wave measuring device 60 includes a bolometer 62, an A / D converter 64, and a PC 66. Between the terahertz wave generation device 10 and the terahertz wave measurement device 60, a lens 68 for condensing the terahertz wave L3 is disposed.

本発明のテラヘルツ波発生装置10について説明する。YAGレーザ発振機12は、Ndイオンを添加したYAG結晶を用いたレーザ発振機であり、532nmの波長のレーザ光L0をKTP−OPO14に入射している。KTP−OPO14は、KTP結晶を用いた光パラメトリック発振機であり、YAGレーザ発振機12から入射されたレーザ光から約3倍の波長を有するレーザ光群(波長:1300nm〜1550nm)を生成している。KTP−OPO14は、生成したレーザ光群から周波数ω1の第1レーザ光(ポンプ光と呼ばれることがある)と周波数ω2の第2レーザ光(アイドラー光と呼ばれることがある)を選択し、レンズ16を通してこの2つのレーザ光を導波路デバイス20にコリニアに入射する。KTP−OPO14では、第1レーザ光L1と第2レーザ光L2の差周波数ω3(=ω1-ω2)が、所望のテラヘルツ波の周波数となるように設定されている。   The terahertz wave generator 10 of the present invention will be described. The YAG laser oscillator 12 is a laser oscillator using a YAG crystal to which Nd ions are added, and makes a laser beam L0 having a wavelength of 532 nm incident on the KTP-OPO14. The KTP-OPO 14 is an optical parametric oscillator using a KTP crystal, and generates a laser beam group (wavelength: 1300 nm to 1550 nm) having a wavelength approximately three times from the laser beam incident from the YAG laser oscillator 12. Yes. The KTP-OPO 14 selects a first laser beam having a frequency ω1 (sometimes referred to as pump light) and a second laser beam having a frequency ω2 (sometimes referred to as idler light) from the generated laser light group. These two laser beams are incident on the waveguide device 20 through a collinear line. In the KTP-OPO 14, the difference frequency ω3 (= ω1−ω2) between the first laser beam L1 and the second laser beam L2 is set to be a desired terahertz wave frequency.

図2に、導波路デバイス20の構成を模式的に示す。導波路デバイス20は、結晶台22と接着層24と非線形光学結晶26と緩衝層28プリズム30がその順に積層されて構成されている。
結晶台22は非線形光学結晶26を配置するための台であり、その上面に接着層24を介して層状の非線形光学結晶26が積層されている。非線形光学結晶26は、2次の非線形性を有した結晶であり、例えばLiNbO3、LiTaO3、DAST、ZnTe、GaAs、ZnSe、GaSe、GaP等の結晶である。非線形光学結晶26は、その厚さが、周波数ω3を有するテラヘルツ波の非線形光学結晶26における波長の半分よりも小さく設定されている。ここで、周波数ω3を有するテラヘルツ波の非線形光学結晶26における波長は、テラヘルツ波L3の真空における波長λ(THz)と非線形光学結晶26のテラヘルツ波の周波数帯域における屈折率n1(THz)を用いて、λ(THz)/n1(THz)と表される。非線形光学結晶26は、後述するように、その側面26aに第1レーザ光L1と第2レーザ光L2が入射されると、その上面26bから周波数ω3のテラヘルツ波を放射する。
テラヘルツ波が放射される非線形光学結晶26の上面26bには、緩衝層28が積層されており、緩衝層28の上面にはプリズム30が積層されている。
FIG. 2 schematically shows the configuration of the waveguide device 20. The waveguide device 20 is configured by laminating a crystal stage 22, an adhesive layer 24, a nonlinear optical crystal 26, and a buffer layer 28 prism 30 in that order.
The crystal stage 22 is a stage on which the nonlinear optical crystal 26 is arranged, and a layered nonlinear optical crystal 26 is laminated on the upper surface of the crystal stage 22 with an adhesive layer 24 interposed therebetween. The nonlinear optical crystal 26 is a crystal having second-order nonlinearity, for example, a crystal such as LiNbO 3, LiTaO 3, DAST, ZnTe, GaAs, ZnSe, GaSe, and GaP. The thickness of the nonlinear optical crystal 26 is set to be smaller than half of the wavelength of the terahertz wave nonlinear optical crystal 26 having the frequency ω3. Here, the wavelength of the terahertz wave having the frequency ω3 in the nonlinear optical crystal 26 is determined by using the wavelength λ (THz) in the vacuum of the terahertz wave L3 and the refractive index n1 (THz) in the frequency band of the terahertz wave of the nonlinear optical crystal 26. , Λ (THz) / n1 (THz). As will be described later, when the first laser beam L1 and the second laser beam L2 are incident on the side surface 26a, the nonlinear optical crystal 26 emits a terahertz wave having a frequency ω3 from the upper surface 26b.
A buffer layer 28 is stacked on the upper surface 26 b of the nonlinear optical crystal 26 that emits terahertz waves, and a prism 30 is stacked on the upper surface of the buffer layer 28.

緩衝層28の厚さdは、第1レーザ光L1と第2レーザ光L2の染み出し長ξよりも厚く形成されている。また、緩衝層28は、可視光から近赤外の周波数帯域における屈折率n3(OPT)が、非線形光学結晶26の可視光から近赤外の周波数帯域における屈折率n1(OPT)よりも低い物質で形成されている。導波路デバイス20では、非線形光学結晶26に入射された第1レーザ光L1と第2レーザ光L2が緩衝層28へと染み出すことが抑制されており、非線形光学結晶26を導波路として機能させることができる。
その一方、緩衝層28の厚さdは、テラヘルツ波の緩衝層における波長にくらべて薄く設定されている。また、緩衝層28は、テラヘルツ波に対する吸収係数が小さい物質で形成されている。そのため、テラヘルツ波が非線形光学結晶26から緩衝層28を介してプリズム30に伝播される際に、テラヘルツ波が緩衝層28において減衰することが抑制される。そのため以後の説明では、テラヘルツ波の非線形光学結晶26からプリズム30への伝播を考える際に緩衝層28を省略して考えることがある。
The thickness d of the buffer layer 28 is formed to be thicker than the seepage length ξ of the first laser light L1 and the second laser light L2. The buffer layer 28 is a substance whose refractive index n3 (OPT) in the frequency band from visible light to near infrared is lower than the refractive index n1 (OPT) in the frequency band from visible light to near infrared of the nonlinear optical crystal 26. It is formed with. In the waveguide device 20, the first laser light L 1 and the second laser light L 2 incident on the nonlinear optical crystal 26 are suppressed from oozing out to the buffer layer 28, and the nonlinear optical crystal 26 functions as a waveguide. be able to.
On the other hand, the thickness d of the buffer layer 28 is set thinner than the wavelength in the terahertz wave buffer layer. The buffer layer 28 is made of a material having a small absorption coefficient for terahertz waves. Therefore, when the terahertz wave is propagated from the nonlinear optical crystal 26 to the prism 30 via the buffer layer 28, the terahertz wave is suppressed from being attenuated in the buffer layer 28. Therefore, in the following description, the buffer layer 28 may be omitted when considering the propagation of the terahertz wave from the nonlinear optical crystal 26 to the prism 30.

次に、テラヘルツ波測定装置60について説明する。ボロメータ62はSiボロメータであり、測定口62aを備えている。ボロメータ62は、測定口62aを通して入射されたテラヘルツ波のエネルギーを、入射したテラヘルツ波の周波数に対応付けて測定する。測定口62aは、レンズ68を介して導波路デバイス20に対向配置されている。詳しくは、導波路デバイス20からテラヘルツ波が放射される方向に向けられている。ボロメータ62は、測定したエネルギー値であるアナログ値をPC66へと伝達する。ボロメータ62から伝達されたエネルギー値は、A/D変換機64によってデジタル化され、PC66に伝達される。PC66では、伝達されたエネルギー値を用いて、テラヘルツ波発生装置10から放射されたテラヘルツ波の周波数とエネルギー値の関係を算出する。   Next, the terahertz wave measuring device 60 will be described. The bolometer 62 is a Si bolometer and includes a measurement port 62a. The bolometer 62 measures the energy of the terahertz wave incident through the measurement port 62a in association with the frequency of the incident terahertz wave. The measurement port 62 a is disposed to face the waveguide device 20 via the lens 68. Specifically, it is directed in the direction in which the terahertz wave is emitted from the waveguide device 20. The bolometer 62 transmits an analog value, which is a measured energy value, to the PC 66. The energy value transmitted from the bolometer 62 is digitized by the A / D converter 64 and transmitted to the PC 66. The PC 66 calculates the relationship between the frequency and energy value of the terahertz wave emitted from the terahertz wave generation device 10 using the transmitted energy value.

導波路デバイス20からテラヘルツ波が放射される様子を、図面を参照しながら説明する。上記したように、テラヘルツ波が非線形光学結晶26からプリズム30への伝播される際は、緩衝層28を省略して考えることができ、以下の説明に用いる図では緩衝層28を省略して図示している。
図3に示すように、非線形光学結晶26の側面26aに第1レーザ光L1と第2レーザ光L2が入射されると、レーザ光L1、L2の進行方向に沿って非線形光学結晶26に非線形分極が生じる。図3の下部に示す波は、非線形光学結晶26の内部の分極の様子を模式的に示している。非線形光学結晶26が2次の非線形性を有している場合、非線形光学結晶26がレーザ光L1、L2の差周波数ω3に応じた周期2Lcを有する非線形分極が生じる。ここで、周期2Lcは、第1レーザ光L1の波長λ1と第2レーザ光L2の波長λ2と非線形光学結晶26の可視光から近赤外の周波数帯域における第1レーザ光L1の屈折率n11(OPT)と非線形光学結晶26の可視光から近赤外の周波数帯域における第1レーザ光L1の屈折率n12(OPT)を用いて、数7のように表される。
The manner in which terahertz waves are radiated from the waveguide device 20 will be described with reference to the drawings. As described above, when the terahertz wave is propagated from the nonlinear optical crystal 26 to the prism 30, the buffer layer 28 can be omitted, and the buffer layer 28 is omitted in the drawings used for the following description. Show.
As shown in FIG. 3, when the first laser beam L1 and the second laser beam L2 are incident on the side surface 26a of the nonlinear optical crystal 26, nonlinear polarization occurs in the nonlinear optical crystal 26 along the traveling direction of the laser beams L1 and L2. Occurs. The wave shown in the lower part of FIG. 3 schematically shows the state of polarization inside the nonlinear optical crystal 26. When the nonlinear optical crystal 26 has second-order nonlinearity, nonlinear polarization having a period 2Lc corresponding to the difference frequency ω3 between the laser beams L1 and L2 occurs. Here, the period 2Lc indicates the refractive index n11 of the first laser beam L1 in the frequency band from the wavelength λ1 of the first laser beam L1, the wavelength λ2 of the second laser beam L2, and the visible light to the near-infrared wavelength of the nonlinear optical crystal 26. OPT) and the refractive index n12 (OPT) of the first laser light L1 in the frequency band from the visible light to the near-infrared of the nonlinear optical crystal 26 are expressed as shown in Equation 7.

Figure 0005354582
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非線形光学結晶26では、第1レーザ光L1と第2レーザ光L2の入射によってエネルギー状態が励起する。励起した非線形光学結晶26は、元の状態に戻る際にエネルギー波を放射する。非線形光学結晶26が差周波数ω3に応じて分極している場合、差周波数ω3を有するテラヘルツ波L3を放射する。このとき、可視光の非線形光学結晶26における伝播速度が、テラヘルツ波L3の非線形光学結晶26における伝播速度を超え、非線形光学結晶26においてテラヘルツ波L3がチェレンコフ放射される。
非線形光学結晶26では、第1レーザ光L1と第2レーザ光L2が入射された側面26a側の点X1からテラヘルツ波L3が球面状に放射され、次に点X2からテラヘルツ波L3が球面状に放射される。点X2から放射されるテラヘルツ波L3は、点X1から放射されるテラヘルツ波L3と比べて位相が同じであり1周期遅れる。同様に、点X3からは、点X2から放射されるテラヘルツ波L3と比べて位相が同じであり、1周期遅れたテラヘルツ波L3が球面状に放射される。点X4からは、点X3から放射されるテラヘルツ波L3と比べて位相が同じであり、1周期遅れたテラヘルツ波L3が球面状に放射される。点X5からは、点X4から放射されるテラヘルツ波L3と比べて位相が同じであり、1周期遅れたテラヘルツ波L3が球面状に放射される。
In the nonlinear optical crystal 26, the energy state is excited by the incidence of the first laser beam L1 and the second laser beam L2. The excited nonlinear optical crystal 26 emits an energy wave when returning to the original state. When the nonlinear optical crystal 26 is polarized according to the difference frequency ω3, a terahertz wave L3 having the difference frequency ω3 is emitted. At this time, the propagation speed of visible light in the nonlinear optical crystal 26 exceeds the propagation speed of the terahertz wave L3 in the nonlinear optical crystal 26, and the terahertz wave L3 is emitted from the nonlinear optical crystal 26 by Cherenkov.
In the nonlinear optical crystal 26, the terahertz wave L3 is radiated in a spherical shape from the point X1 on the side surface 26a on which the first laser beam L1 and the second laser beam L2 are incident, and then the terahertz wave L3 is spheroidized from the point X2. Radiated. The terahertz wave L3 radiated from the point X2 has the same phase as the terahertz wave L3 radiated from the point X1, and is delayed by one cycle. Similarly, from the point X3, the phase is the same as that of the terahertz wave L3 radiated from the point X2, and the terahertz wave L3 delayed by one cycle is radiated in a spherical shape. From the point X4, the phase is the same as that of the terahertz wave L3 radiated from the point X3, and the terahertz wave L3 delayed by one cycle is radiated in a spherical shape. From the point X5, the phase is the same as that of the terahertz wave L3 emitted from the point X4, and the terahertz wave L3 delayed by one cycle is emitted in a spherical shape.

各点X1〜X5から同時に放射されたテラヘルツ波L3は、各々の波面の共通接線に垂直な方向へと伝播する。レーザ光の進行方向に対するテラヘルツ波L3の放射角θ(チェレンコフ角と呼ばれることがある)は、波長λ(THz)と屈折率n1(THz)と周期2Lcを用いて、数8のように表される。数7と数8から数2の関係を得ることができ、さらに近似することによって数3の関係を得ることができる。図3の上部には、非線形光学結晶26の内部においてテラヘルツ波L3が放射角θを持って放射される様子を模式的に示している。   The terahertz wave L3 simultaneously radiated from the points X1 to X5 propagates in a direction perpendicular to the common tangent line of each wavefront. The radiation angle θ (sometimes called the Cherenkov angle) of the terahertz wave L3 with respect to the traveling direction of the laser light is expressed as in Expression 8 using the wavelength λ (THz), the refractive index n1 (THz), and the period 2Lc. The The relationship of Equation 2 can be obtained from Equation 7 and Equation 8, and the relationship of Equation 3 can be obtained by further approximation. The upper part of FIG. 3 schematically shows a state in which the terahertz wave L3 is radiated with a radiation angle θ inside the nonlinear optical crystal 26.

Figure 0005354582
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非線形光学結晶26に入射される第1レーザ光L1と第2レーザ光L2は、有限の照射面積を有している。そのため、図4に示すように、第1レーザ光L1と第2レーザ光L2が非線形光学結晶26の異なる深さ位置P1、P2に同時に入射され、位置P1、P2からそれぞれテラヘルツ波L3が放射される。一般に、位置P1から放射されるテラヘルツ波L3と位置P2から放射されるテラヘルツ波の非線形光学結晶26の上面26bにおける位相は異なる。位置P1から放射されたテラヘルツ波L31と位置P2から放射されたテラヘルツ波L32の非線形光学結晶26の上面26bにおける位相が逆位相となった場合、各々の位置から放射されたテラヘルツ波L3が打ち消しあい、非線形光学結晶26から出力されるテラヘルツ波L3が弱められる。   The first laser beam L1 and the second laser beam L2 incident on the nonlinear optical crystal 26 have a finite irradiation area. Therefore, as shown in FIG. 4, the first laser beam L1 and the second laser beam L2 are simultaneously incident at different depth positions P1 and P2 of the nonlinear optical crystal 26, and terahertz waves L3 are emitted from the positions P1 and P2, respectively. The In general, the phases of the terahertz wave L3 emitted from the position P1 and the terahertz wave emitted from the position P2 on the upper surface 26b of the nonlinear optical crystal 26 are different. When the phase of the terahertz wave L31 radiated from the position P1 and the phase of the terahertz wave L32 radiated from the position P2 on the upper surface 26b of the nonlinear optical crystal 26 are reversed, the terahertz waves L3 radiated from the respective positions cancel each other. The terahertz wave L3 output from the nonlinear optical crystal 26 is weakened.

本実施例の非線形光学結晶26では、その厚さDが、周波数ω3のテラヘルツ波L3の非線形光学結晶26における波長λ(THz)/n1(THz)の半分よりも薄く設定されている。そのため、最も位相の異なる非線形光学結晶26の上面26bから放射されたテラヘルツ波L3と非線形光学結晶26の下面26cから放射されたテラヘルツ波L3の非線形光学結晶26の上面26bにおける位相の差を「π」よりも小さく抑えることができる。これにより、非線形光学結晶26の異なる深さ位置から放射されたテラヘルツ波L3がお互いに弱め合うことが抑制される。   In the nonlinear optical crystal 26 of the present embodiment, the thickness D is set to be thinner than half of the wavelength λ (THz) / n1 (THz) in the nonlinear optical crystal 26 of the terahertz wave L3 having the frequency ω3. Therefore, the phase difference between the terahertz wave L3 radiated from the upper surface 26b of the nonlinear optical crystal 26 having the most different phase and the terahertz wave L3 radiated from the lower surface 26c of the nonlinear optical crystal 26 on the upper surface 26b of the nonlinear optical crystal 26 is expressed by “π "Can be kept smaller. This suppresses the terahertz waves L3 radiated from the different depth positions of the nonlinear optical crystal 26 from weakening each other.

本実施例の非線形光学結晶26では、上記のように非線形光学結晶26の厚さDを薄く設定しておくことで、テラヘルツ波L3が非線形光学結晶26内を進行する距離を短縮することができる。これによって、非線形光学結晶26に吸収されるテラヘルツ波L3の量を減少させることができる。   In the nonlinear optical crystal 26 of the present embodiment, the distance that the terahertz wave L3 travels in the nonlinear optical crystal 26 can be shortened by setting the thickness D of the nonlinear optical crystal 26 thin as described above. . Thereby, the amount of the terahertz wave L3 absorbed by the nonlinear optical crystal 26 can be reduced.

非線形光学結晶26の各点から放射されたテラヘルツ波L3は、非線形光学結晶26の上面から緩衝層28を通ってプリズム30へと放射される。上記したように、プリズム30のテラヘルツ波L3の周波数帯域における屈折率n1(THz)は、非線形光学結晶26のテラヘルツ波L3の周波数帯域における屈折率n2(THz)よりも小さく設定されている。そのため、図5に示すように、非線形光学結晶26から放射されたテラヘルツ波L3がプリズム30に入射する際に屈折する。   The terahertz wave L3 radiated from each point of the nonlinear optical crystal 26 is radiated from the upper surface of the nonlinear optical crystal 26 to the prism 30 through the buffer layer 28. As described above, the refractive index n1 (THz) in the frequency band of the terahertz wave L3 of the prism 30 is set to be smaller than the refractive index n2 (THz) of the nonlinear optical crystal 26 in the frequency band of the terahertz wave L3. Therefore, as shown in FIG. 5, the terahertz wave L <b> 3 radiated from the nonlinear optical crystal 26 is refracted when entering the prism 30.

テラヘルツ波L3のプリズム30への入射角αは、放射角θを用いて数6のように表される。また、テラヘルツ波L3が非線形光学結晶26からプリズム30へと入射される際の臨界角α0は数4のように表される。そのため、入射角αが数5の関係を満たす場合に、テラヘルツ波L3が非線形光学結晶26からプリズム30へと放射される。上記の数3〜数6から、数1の関係が得られる。本実施例の導波路デバイス20では、数1の関係を満たす場合に、非線形光学結晶26で発生したテラヘルツ波L3がプリズム30へと放射される。プリズム30に放射されたテラヘルツ波は、プリズム30の上面30aから大気中へと放射される。   The incident angle α of the terahertz wave L3 to the prism 30 is expressed as in Expression 6 using the radiation angle θ. In addition, the critical angle α0 when the terahertz wave L3 is incident on the prism 30 from the nonlinear optical crystal 26 is expressed as Equation 4. Therefore, when the incident angle α satisfies the relationship of Equation 5, the terahertz wave L3 is radiated from the nonlinear optical crystal 26 to the prism 30. From Equation 3 to Equation 6, the relationship of Equation 1 is obtained. In the waveguide device 20 of the present embodiment, the terahertz wave L3 generated in the nonlinear optical crystal 26 is radiated to the prism 30 when the relationship of Equation 1 is satisfied. The terahertz wave radiated to the prism 30 is radiated from the upper surface 30a of the prism 30 to the atmosphere.

図6にテラヘルツ波測定装置60を用いて測定した本実施例のテラヘルツ波発生装置10から放射されるテラヘルツ波L3の周波数とエネルギー変換効率の関係を示す。図6には、特許文献1のテラヘルツ波発生装置を用いて放射させたテラヘルツ波の周波数とエネルギー変換効率の関係を比較として点線で示す。
本実施例のテラヘルツ波発生装置10では、導波路デバイス20の非線形光学結晶26に第1レーザ光L1と第2レーザ光L2をコリニアに入射する。特許文献1の技術のように、第1レーザ光L1と第2レーザ光L2の間に角度差を設ける必要がない。そのため、第1レーザ光L1と第2レーザ光L2を正確に調整することができ、テラヘルツ波L3のエネルギー変換効率を向上させることができる。
FIG. 6 shows the relationship between the frequency of the terahertz wave L3 radiated from the terahertz wave generator 10 of the present embodiment measured using the terahertz wave measuring device 60 and the energy conversion efficiency. In FIG. 6, the relationship between the frequency of the terahertz wave radiated using the terahertz wave generating device of Patent Document 1 and the energy conversion efficiency is indicated by a dotted line for comparison.
In the terahertz wave generator 10 of the present embodiment, the first laser light L1 and the second laser light L2 are incident on the nonlinear optical crystal 26 of the waveguide device 20 in a collinear manner. There is no need to provide an angle difference between the first laser beam L1 and the second laser beam L2 as in the technique of Patent Document 1. Therefore, the first laser light L1 and the second laser light L2 can be accurately adjusted, and the energy conversion efficiency of the terahertz wave L3 can be improved.

また、本実施例のテラヘルツ波発生装置10では、非線形光学結晶26の厚さDが、周波数ω3を有するテラヘルツ波L3の非線形光学結晶26における波長λ(THz)/n1(THz)の半分よりも薄く設定されている。これにより、非線形光学結晶26から放射されるテラヘルツ波L3が非線形光学結晶26において減衰することが抑制され、テラヘルツ波L3のエネルギー変換効率を向上させることができる。   In the terahertz wave generator 10 of the present embodiment, the thickness D of the nonlinear optical crystal 26 is more than half of the wavelength λ (THz) / n1 (THz) in the nonlinear optical crystal 26 of the terahertz wave L3 having the frequency ω3. It is set thinly. Thereby, the terahertz wave L3 radiated from the nonlinear optical crystal 26 is suppressed from being attenuated in the nonlinear optical crystal 26, and the energy conversion efficiency of the terahertz wave L3 can be improved.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、本実施例のプリズム30では、その上面30aがテラヘルツ波L3の放射方向に対して垂直となるように形成されていることが好ましい。プリズム30の上面30aが上記のように形成されていることで、テラヘルツ波L3がプリズム30から大気中に放射される際に、エネルギーが損失することが抑制され、テラヘルツ波L3の取り出し効率を高くすることができる。
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
For example, the prism 30 of the present embodiment is preferably formed so that the upper surface 30a thereof is perpendicular to the radiation direction of the terahertz wave L3. Since the upper surface 30a of the prism 30 is formed as described above, energy loss is suppressed when the terahertz wave L3 is emitted from the prism 30 into the atmosphere, and the extraction efficiency of the terahertz wave L3 is increased. can do.

非線形光学結晶26とプリズム30の境界部においても同様である。非線形光学結晶26では、その上面26bがテラヘルツ波L3の放射方向に対して垂直となるように形成されていることが好ましい。これによって、テラヘルツ波L3が非線形光学結晶26からプリズム30に放射される際に、エネルギーが損失することが抑制され、テラヘルツ波L3のエネルギー変換効率を高くすることができる。   The same applies to the boundary between the nonlinear optical crystal 26 and the prism 30. The nonlinear optical crystal 26 is preferably formed so that its upper surface 26b is perpendicular to the radiation direction of the terahertz wave L3. Thus, when the terahertz wave L3 is radiated from the nonlinear optical crystal 26 to the prism 30, energy loss is suppressed, and the energy conversion efficiency of the terahertz wave L3 can be increased.

本実施例の導波路デバイス20では、非線形光学結晶26の上面26bからテラヘルツ波L3を放射しているが、非線形光学結晶26の下面26cからテラヘルツ波L3を放射してもよい。さらには、非線形光学結晶26の上面26bと下面26cの両面から同時にテラヘルツ波L3を放射してもよい。テラヘルツ波L3を両面から放射することで、テラヘルツ波L3のエネルギー変換効率を向上させることができる。   In the waveguide device 20 of the present embodiment, the terahertz wave L3 is radiated from the upper surface 26b of the nonlinear optical crystal 26, but the terahertz wave L3 may be radiated from the lower surface 26c of the nonlinear optical crystal 26. Further, the terahertz wave L3 may be simultaneously emitted from both the upper surface 26b and the lower surface 26c of the nonlinear optical crystal 26. By radiating the terahertz wave L3 from both sides, the energy conversion efficiency of the terahertz wave L3 can be improved.

また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。   In addition, the technical elements described in the present specification or drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.

10 テラヘルツ波発生装置
12 YAGレーザ発振機
14 KTP光パラメトリック発振機
16 レンズ
20 導波路デバイス
22 結晶台
24 接着層
26 非線形光学結晶
28 緩衝層
30 プリズム
60 テラヘルツ波測定装置
62 ボロメータ
64 A/D変換機
68 レンズ
L0 レーザ光
L1 第1レーザ光(ポンプ光)
L2 第2レーザ光(アイドラー光)
L3 テラヘルツ波
α 入射角
α0 臨界角
θ 放射角(チェレンコフ角)
ω1 第1レーザ光の周波数
ω2 第2レーザ光の周波数
ω3 テラヘルツ波の周波数
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Terahertz wave generator 12 YAG laser oscillator 14 KTP optical parametric oscillator 16 Lens 20 Waveguide device 22 Crystal stage 24 Adhesive layer 26 Nonlinear optical crystal 28 Buffer layer 30 Prism 60 Terahertz wave measuring device 62 Bolometer 64 A / D converter 68 Lens L0 Laser light L1 First laser light (pump light)
L2 Second laser beam (idler beam)
L3 Terahertz wave α Incident angle α0 Critical angle θ Radiation angle (Cherenkov angle)
ω1 Frequency of the first laser light ω2 Frequency of the second laser light ω3 Frequency of the terahertz wave

Claims (2)

周波数の異なる2種類のレーザ光を2次の非線形性を有する非線形光学結晶に入射し、前記2種類のレーザ光の差周波数を持つテラヘルツ波をチェレンコフ型位相整合方式により放射するテラヘルツ波発生装置であって、
前記2種類のレーザ光は、前記非線形光学結晶のレーザ光が入射される入射面にコリニアに入射されており、
前記入射面の厚みは前記テラヘルツ波の前記非線形光学結晶における半波長よりも小さく形成されており、
前記非線形光学結晶のテラヘルツ波を放射する放射面の少なくとも1つの面上に、可視光から近赤外の周波数帯域における屈折率が、前記非線形光学結晶の可視光から近赤外の周波数帯域における屈折率よりも小さく設定されている緩衝層が形成されており、
前記緩衝層の表面にプリズムが設けられており、
前記非線形光学結晶の可視光から近赤外の周波数帯域における屈折率n1(OPT)と、前記非線形光学結晶のテラヘルツ波の周波数帯域における屈折率n1(THz)と、前記プリズムのテラヘルツ波の周波数帯域における屈折率n2(THz)が、
arccos(n1(OPT)/n1(THz))>π/2−arcsin(n2(THz)/n1(THz))
を満たすように構成されており、
前記プリズムのテラヘルツ波を放射する放射面が、前記プリズム内を進行するテラヘルツ波の放射方向に対して垂直となるように形成されていることを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
A terahertz wave generator that emits terahertz waves having a difference frequency between the two types of laser light by using a Cherenkov phase matching method by entering two types of laser beams having different frequencies into a nonlinear optical crystal having second-order nonlinearity. There,
The two types of laser light are incident collinearly on an incident surface on which the laser light of the nonlinear optical crystal is incident,
The thickness of the incident surface is formed to be smaller than a half wavelength in the nonlinear optical crystal of the terahertz wave,
On at least one surface of the radiating surface for radiating the terahertz wave of the nonlinear optical crystal, the refractive index in the near infrared frequency band from visible light, refraction in the near infrared frequency band from visible light of the nonlinear optical crystal The buffer layer set smaller than the rate is formed ,
A prism is provided on the surface of the buffer layer,
Refractive index n1 (OPT) in the frequency band from visible light to near infrared of the nonlinear optical crystal, Refractive index n1 (THz) in the frequency band of the terahertz wave of the nonlinear optical crystal, and Frequency band of the terahertz wave of the prism The refractive index n2 (THz) at
arccos (n1 (OPT) / n1 (THz))> π / 2-arcsin (n2 (THz) / n1 (THz))
Is configured to satisfy
A terahertz wave generating device , wherein a radiation surface of the prism for emitting terahertz waves is formed to be perpendicular to a radiation direction of the terahertz waves traveling in the prism .
前記非線形光学結晶のテラヘルツ波を放射する放射面の2つの面上に、前記緩衝層が形成されていることを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ波発生装置。2. The terahertz wave generating device according to claim 1, wherein the buffer layer is formed on two radiation surfaces of the nonlinear optical crystal that emit terahertz waves. 3.
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